Summary

Produktion af Adeno-Associerede Virus Vektorer i Cell Stakke til prækliniske undersøgelser i store dyremodeller

Published: June 30, 2021
doi:

Summary

Her giver vi en detaljeret procedure for storstilet produktion af AAV-vektorer af forskningskvalitet ved hjælp af klæbende HEK 293 celler dyrket i cellestakke og affinitetskromatografirensning. Denne protokol giver konsekvent >1 x 1013 vektorgenomer/mL, hvilket giver vektormængder, der er passende til store dyreforsøg.

Abstract

Adeno-associerede virus (AAV) vektorer er blandt de mest klinisk avancerede genterapi vektorer, med tre AAV genterapier godkendt til mennesker. Klinisk udvikling af nye anvendelser af AAV indebærer overgangen fra små dyremodeller, såsom mus, til større dyremodeller, herunder hunde, får og ikke-menneskelige primater. En af begrænsningerne ved at administrere AAV til større dyr er kravet om store mængder af høj titervirus. Mens suspension celle kultur er en skalerbar metode til AAV vektor produktion, få forskningslaboratorier har udstyret (f.eks bioreaktorer) eller ved, hvordan man producerer AAV på denne måde. Desuden er AAV titere ofte betydeligt lavere, når de produceres i suspension HEK 293 celler sammenlignet med klæbende HEK293-celler. Beskrevet her er en metode til fremstilling af store mængder af høj-titer AAV ved hjælp af celle stakke. En detaljeret protokol for titering AAV samt metoder til validering vektor renhed er også beskrevet. Endelig præsenteres repræsentative resultater af AAV-medieret transgeneudtryk i en fåremodel. Denne optimerede protokol til storstilet produktion af AAV-vektorer i klæbende celler vil gøre det muligt for molekylærbiologilaboratorier at fremme afprøvningen af deres nye AAV-behandlinger i større dyremodeller.

Introduction

Genterapi udnytte adeno-associeret virus (AAV) vektorer har gjort store fremskridt i løbet af de sidste tre årtier1,2. Påviste forbedringer i en bred vifte af genetiske sygdomme, herunder medfødt blindhed, hæmofili og sygdomme i bevægeapparatet og centralnervesystemet, har bragt AAV-genterapi i spidsen for klinisk forskning3,4. I 2012 godkendte Det Europæiske Lægemiddelagentur (EMA) Glybera, en AAV1-vektor, der udtrykker lipoprotein lipase (LPL) til behandling af LPL-mangel, hvilket gør det til den første markedsføringstilladelse til en genterapibehandling i enten Europa eller USA5. Siden da har yderligere to AAV-genterapier, Luxturna6 og Zolgensma7, modtaget FDA-godkendelse, og markedet forventes at ekspandere hurtigt i løbet af de næste 5 år med så mange som 10-20 genterapier forventes i 20258. Tilgængelige kliniske data viser, at AAV genterapi er en sikker, veltolereret, og effektiv modalitet gør det til en af de mest lovende virale vektorer, med over 244 kliniske forsøg med AAV registreret med ClinicalTrials.gov. Den stigende interesse for kliniske anvendelser, der involverer AAV-vektorer, kræver robuste og skalerbare produktionsmetoder for at lette evalueringen af AAV-behandlinger i store dyremodeller, da dette er et kritisk skridt i den translationelle pipeline9.

For AAV vektor produktion, de to vigtigste krav er AAV genomet og capsid. Genomet af vildtype (wt)-AAV er enkeltstrenget DNA, der er ca. 4,7 kb i længden10. Wt-AAV-genomet omfatter omvendte terminalgentninger (ITR’er), der findes i begge ender af genomet, som er vigtige for emballagen, og rep- og cap-generne 11. Rep og cap gener, der er nødvendige for genom replikation, samling af viral capsid, og indkapsling af genomet i viral capsid, fjernes fra det virale genom og leveres i trans til AAV vektor produktion12. Fjernelsen af disse gener fra det virale genom giver plads til terapeutiske transgener og alle de nødvendige regulatoriske elementer, herunder promotoren og polyA-signalet. ITR’erne forbliver i vektorgenomet for at sikre korrekt genomreplikation og viral indkapsling13,14. For at forbedre kinetikken i transgene udtryk, AAV vektor genomer kan manipuleres til at være selv komplementære, hvilket mindsker behovet for konvertering fra enkelt-strandede til dobbeltstrenget DNA-konvertering under AAV genom replikation, men reducerer kodning kapacitet til ~ 2,4 kb15.

Ud over AAV genom design, capsid serotype udvælgelse bestemmer væv og celle tropofi af AAV vektor in vivo2. Ud over vævstrofi har forskellige AAV-serotyper vist sig at vise forskellige genekspressions kinetik16. For eksempel klassificerede Zincarelli et al.17 forskellige AAV-serotyper til lavtryks serotyper (AAV2, 3, 4, 5), moderate udtryksrotyper (AAV1, 6, 8) og højtryks serotyper (AAV7 og 9). De kategoriserede også AAV-serotyper i slow-debut udtryk (AAV2, 3, 4, 5) eller hurtig debut udtryk (AAV1, 6, 7, 8 og 9). Disse divergerende troper og genekspression kinetik skyldes aminosyre variationer i capsid proteiner, capsid protein formationer, og interaktioner med værtscelle receptorer / co-receptorer18. Nogle AAV capsids har yderligere gavnlige egenskaber såsom evnen til at krydse blod – hjerne barrieren efter intravaskulær administration (AAV9) eller opholde sig i langlevende muskelceller for holdbare transgene udtryk (AAV6, 6.2FF, 8, og 9)19,20.

Dette papir har til formål at detaljere en omkostningseffektiv metode til fremstilling af høj renhed, høj titer, forskning-grade AAV vektorer til brug i prækliniske store dyremodeller. Produktionen af AAV ved hjælp af denne protokol opnås ved hjælp af dobbelt-plasmid transfection i klæbende menneskelige embryonale nyre (HEK) 293 celler dyrket i celle stakke. Desuden beskriver undersøgelsen en protokol for heparin sulfat affinitet kromatografi rensning, som kan bruges til AAV serotyper, der indeholder heparin-bindende domæner, herunder AAV2, 3, 6, 6.2FF, 13, og DJ21,22.

En række emballagesystemer er tilgængelige til produktion af AAV vektorer. Blandt disse har brugen af to-plasmid co-transfection systemer, hvor Rep og Cap gener og Ad helper gener (E1A, E1B55K, E2A, E4orf6, og VA RNA) er indeholdt i en plasmid (pHelper), har nogle praktiske fordele i forhold til den fælles tre-plasmid (tredobbelt) transfection metode, herunder reducerede omkostninger for plasmid produktion23,24 . AAV-genomplasmiden, der indeholder transgeneudtrykskassetten (pTransgene), skal flankeres af ITR’er og må ikke overstige ~4,7 kb i længden. Vektor titer og renhed kan blive påvirket af transgene på grund af potentielle cytotoksiske virkninger under transfection. Vurdering af vektor renhed er beskrevet heri. Vektorer produceret ved hjælp af denne metode, som giver en 1 x 1013 vg/ mL for hver, blev evalueret i mus, hamstere og får dyremodeller.

Tabel 1: Sammensætning af nødvendige løsninger. Nødvendige oplysninger, herunder procentdele og mængder, af komponenter, der er nødvendige for forskellige løsninger i hele protokollen. Klik her for at downloade denne tabel.

Protocol

1. Dobbelt plasmid transfektion af HEK293 celler i celle stakke Optø et kryoglas med HEK293-celler i et perlebad, der er indstillet til 37 °C.BEMÆRK: Forvarm komplet DMEM til 37 °C, mens cellerne optøs for at sikre, at den kolde temperatur ikke chokerer cellerne ved plating. Sørg for, at cellerne har et lavt passagertal, ideelt mindre end 20, for at sikre optimal vækst og transfektionseffektivitet. Sørg for, at cellerne er certificeret til at være mycoplasma-fri. Indholdet af kryo-hætteg…

Representative Results

Oversættelse fra små gnavermodeller til større dyremodeller og eventuel klinisk anvendelse udgør en betydelig udfordring på grund af den store mængde AAV, der kræves for at transduce større dyr og opnå terapeutiske virkninger. For at sammenligne transduktionseffektiviteten af den rationelt designede AAV6.2FF capsid, der tidligere blev påvist en 101-dobling af transduktionseffektiviteten i murinmuskelceller sammenlignet med AAV63, blev mus, hamstere og lam alle administreret AAV6.2FF, der…

Discussion

Produktionen af rekombinante AAV (rAAV) vektorer beskrevet i dette papir bruger fælles materialer, reagenser, og udstyr findes i de fleste af de molekylærbiologiske forskningslaboratorier og faciliteter. Dette papir giver mulighed for høj kvalitet in vitro og in vivo kvalitet rAAV, der skal produceres af læseren. Frem for alt er denne protokol for rAAV-produktion sammenlignet med mere kedelige protokoller, der involverer rensning af cæsiumchlorid, effektiv og undgår brugen af ultracentrifugering. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Amira D. Rghei, Brenna A. Y. Stevens, Sylvia P. Thomas, og Jacob G. E. Yates var modtagere af Ontario Veterinary College Student Stipends samt Ontario Graduate Stipendier. Amira D. Rghei var modtager af en Mitacs Accelerate Studentship. Dette arbejde blev finansieret af canadian Institutes for Health Research (CIHR) Project Grant (#66009) og et Collaborative Health Research Projects (NSERC partnered) grant (#433339) til SKW.

Materials

0.22 μm filter Millipore Sigma S2GPU05RE
0.25% Trypsin Fisher Scientific SM2001C
1-Butanol Thermo Fisher Scientific A399-4 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
10 chamber cellstack Corning 3271
1L PETG bottle Thermo Fisher Scientific 2019-1000
30% Acrylamide/Bis Solution Bio-Rad 1610158
96-well skirted plate FroggaBio FS-96
Adhesive plate seals Thermo Fisher Scientific 08-408-240
Ammonium persulfate (APS) Bio-Rad 161-0700 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
Blood and Tissue Clean up Kit Qiagen 69506 Use for DNA clean up in section 4.6 of protocol
Bromophenol blue Fisher Scientific B392-5 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
Cell Culture Dishes Greiner bio-one 7000232 15 cm plates
Culture Conical Tube Thermo Fisher Scientific 339650 15 mL conical tube
Culture Conical Tube Fisher Scientific 14955240 50 mL conical tube
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) with 1000 mg/L D-glucose, L-glutamine Cytiva Life Sciences SH30022.01
ECL Western Blotting Substrate Thermo Fisher Scientific 32209
Ethanol Greenfield P016EA95 Dilute ethyl alcohol(95% vol) to 20% for section 3.7.4 and 70% for section 6.1.1.1
Fetal Bovine Serum (FBS) Thermo Fisher Scientific SH30396.03
Glacial acetic acid Fisher Scientific A38-500 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
Glycerol Fisher Scientific BP229-1
Glycine Fisher Scientific BP381-500
HBSS with Mg2+ and Ca2+ Thermo Fisher Scientific SH302268.02
HBSS without Mg2+ and Ca2+ Thermo Fisher Scientific SH30588.02
HEK293 cells American Tissue Culture Collection CRL-1573 Upon receipt, thaw the cells and culture as described in manufacturer’s protocol. Once cells have been minimally passaged and are growing well, freeze a subfraction for future in aliquots and store in liquid nitrogen. Always use cells below passage number 30. Once cultured cells have been passaged more than 30 times, it is recommended to restart a culture from the stored aliquots
HEK293 host cell protein ELISA kit Cygnus Technologies F650S Follow manufacturer’s instructions
Heparin sulfate column Cytiva Life Sciences 17040703
Kimwipe Thermo Fisher Scientific KC34120
 L-glutamine (200 mM) Thermo Fisher Scientific SH30034.02
Large Volume Centrifuge Tube Support Cushion Corning CLS431124 Support cushion must be used with large volume centrifuge tubes uless the centrifuge rotor has the approriate V-bottom cushions
Large Volume Centrifuge Tubes Corning CLS431123-6EA 500 mL centrifuge tubes
MgCl Thermo Fisher Scientific 7791-18-6
Microcentrifuge tube Fisher Scientific 05-408-129 1.5 mL microcentrifuge tube, sterilize prior to use
Molecular Grade Water Cytiva Life Sciences SH30538.03
N-Lauroylsarcosine sodium salt Sigma Aldrich L5125 CAUTION. Wear gloves
NaCl Thermo Fisher Scientific BP35810
Optimem, reduced serum medium Thermo Fisher Scientific 31985070
Pasteur pipets Fisher Scientific 13-678-20D Sterilize prior to use
PBS (10x) Thermo Fisher Scientific 70011044 Dilute to 1x for use on cells
Penicillin-Streptomycin Solution Cytiva Life Sciences SV30010
pHelper plasmid De novo design or obtained from plasmid repository NA
Pipet basin Thermo Fisher Scientific 13-681-502 Purchase sterile pipet basins
Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether (Triton X-100) Thermo Fisher Scientific 9002-93-1 CAUTION. Wear gloves
Polyethylenimine (PEI) Polyscience 24765-1 Follow manufacturer’s instructions to produce a 1L solution. 0.22μm filter and store at 4°C
Polypropylene semi-skirted PCR Plate FroggaBio WS-96
Polysorbate 20 (Tween 20) Thermo Fisher Scientific BP337-100 CAUTION. Wear gloves
polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane Cytiva Life Sciences 10600023 Use forceps to manipulate. Wear gloves.
Primary antibody Progen 65158
Protein Ladder FroggaBio PM008-0500
Proteinase K Thermo Fisher Scientific AM2546
pTrangene plasmid De novo design or obtained from plasmid repository NA Must contain SV40 polyA in genome to be compatible with AAV titration in section 5.0
Pump tubing Cole-Parmer RK-96440-14 Optimize length of tubing and containment of virus in fractions E1-E5
RQ1 Dnase 10 Reaction Buffer Promega M6101 Use at 10x concentration in protocol from section 4.0
RQ1 Rnase-free Dnase Promega M6101
Sample dilutent Cygnus Technologies I700 Must be purchased separately for use with HEK293 host cell protein ELISA kit
Secondary antibody, HRP Thermo Fisher Scientific G-21040
Skim milk powder Oxoid LP0033B
Sodium dodecyl sulfate (SDS) Thermo Fisher Scientific 28312 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
Sodium hydroxide (NaOH) Thermo Fisher Scientific SS266-4
SV40 polyA primer probe IDT Use sequence in Table X for quote from IDT for synthesis
Tetramethylethylenediamine (TEMED) Thermo Fisher Scientific 15524010 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
Tris Base Fisher Scientific BP152-5
Trypan blue Bio-Rad 1450021
Ultra-Filter Millipore Sigma UFC810024 Ultra-4 Centrifugal 10K device must be used, as it has a 10000 molecular weight cutoff
Universal Nuclease for cell lysis Thermo Fisher Scientific 88702
Universal qPCR master mix NEB M3003L
Whatman Paper Millipore Sigma WHA1001325
β-mercaptoethanol Fisher Scientific 21985023 CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves
CAUTION: Refer to the Materials Table for guidelines on the use of dangerous chemicals.

References

  1. Hastie, E., Samulski, R. J. Adeno-associated virus at 50: A golden anniversary of discovery, research, and gene therapy success-a personal perspective. Human Gene Therapy. 26 (5), 257-265 (2015).
  2. Wang, D., Tai, P. W. L., Gao, G. Adeno-associated virus vector as a platform for gene therapy delivery. Nature Reviews Drug Discovery. 18 (5), 358-378 (2019).
  3. Nathwani, A. C., et al. Long-term safety and efficacy of factor IX gene therapy in hemophilia B. The New England Journal of Medicine. 371 (21), 1994-2004 (2014).
  4. Kuzmin, D. A., et al. The clinical landscape for AAV gene therapies. Nature Reviews Drug Discovery. 20 (3), 173-174 (2021).
  5. Ylä-Herttuala, S. Endgame: glybera finally recommended for approval as the first gene therapy drug in the European union. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 20 (10), 1831-1832 (2012).
  6. FDA approves novel gene therapy to treat patients with a rare form of inherited vision loss. FDA News Release. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-novel-gene-therapy-treat-patients-rare-form-inherited-vision-loss (2020)
  7. FDA approves innovative gene therapy to treat pediatric patients with spinal muscular atrophy, a rare disease and leading genetic cause of infant mortality. FDA News Release. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-innovative-gene-therapy-treat-pediatric-patients-spinal-muscular-atrophy-rare-disease (2020)
  8. Statement from FDA Commissioner Scott Gottlieb, MD and Peter Marks, MD Ph.D., Director of the Center for Biologics Evaluation and Research on new policies to advance development of safe and effective cell and gene therapies. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/statement-fda-commissioner-scott-gottlieb-md-and-peter-marks-md-phd-director-center-biologics (2020)
  9. Asokan, A., Schaffer, D. V., Samulski, R. J. The AAV vector toolkit: poised at the clinical crossroads. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 20 (4), 699-708 (2012).
  10. Rose, J. A., Hoggan, M. D., Shatkin, A. J. Nucleic acid from an adeno-associated virus: chemical and physical studies. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 56 (1), 86-92 (1966).
  11. Lusby, E., Fife, K. H., Berns, K. I. Nucleotide sequence of the inverted terminal repetition in adeno-associated virus DNA. Journal of Virology. 34 (2), 402-409 (1980).
  12. Masat, E., Pavani, G., Mingozzi, F. Humoral immunity to AAV vectors in gene therapy: challenges and potential solutions. Discovery Medicine. 15 (85), 379-389 (2013).
  13. Ling, C. Enhanced Transgene Expression from Recombinant Single-Stranded D-Sequence-Substituted Adeno-Associated Virus Vectors in Human Cell Lines In Vitro and in Murine Hepatocytes In Vivo. Journal of Virology. 89 (2), 952-961 (2014).
  14. Cathomen, T., Stracker, T. H., Gilbert, L. B., Weitzman, M. D. A genetic screen identifies a cellular regulator of adeno-associated virus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (26), 14991-14996 (2001).
  15. McCarty, D. M. Self-complementary AAV vectors; advances and applications. Molecular Therapy. 16 (10), 1648-1656 (2008).
  16. Aschauer, D. F., Kreuz, S., Rumpel, S. Analysis of transduction efficiency, tropism and axonal transport of aav serotypes 1, 2, 5, 6, 8 and 9 in the mouse brain. PLOS One. 8 (9), 76310 (2013).
  17. Zincarelli, C., Soltys, S., Rengo, G., Rabinowitz, J. E. Analysis of AAV serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection. Molecular Therapy. 16 (6), 1073-1080 (2008).
  18. Pillay, S., et al. Adeno-associated virus (AAV) serotypes have distinctive interactions with domains of the cellular AAV receptor. Journal of Virology. 91 (18), (2017).
  19. Merkel, S. F. Trafficking of adeno-associated virus vectors across a model of the blood-brain barrier; a comparative study of transcytosis and transduction using primary human brain endothelial cells. Journal of Neurochemistry. 140 (2), 216-230 (2017).
  20. van Lieshout, L. P., et al. A novel triple-mutant AAV6 capsid induces rapid and potent transgene expression in the muscle and respiratory tract of mice. Molecular Therapy. Methods & Clinical Development. 9, 323-329 (2018).
  21. Wu, Z., Asokan, A., Grieger, J. C., Govindasamy, L., Agbandje-McKenna, M., Samulski, R. J. single amino acid changes can influence titer, heparin binding, and tissue tropism in different adeno-associated virus serotypes. Journal of Virology. 80 (22), 11393-11397 (2006).
  22. Liu, J., Moon, Y. -. A. Simple purification of adeno-associated virus-DJ for liver-specific gene expression. Yonsei Medical Journal. 57 (3), 790-794 (2016).
  23. Grimm, D., Kern, A., Rittner, K., Kleinschmidt, J. A. Novel tools for production and purification of recombinant adeno-associated virus vectors. Human Gene Therapy. 9 (18), 2745-2760 (1998).
  24. Kimura, T., et al. Production of adeno-associated virus vectors for in vitro and in vivo applications. Scientific Reports. 9 (1), 13601 (2019).
  25. Aurnhammer, C., et al. Universal real-time PCR for the detection and quantification of adeno-associated virus serotype 2-derived inverted terminal repeat sequences. Human Gene Therapy Methods. 23 (1), 18-28 (2012).
  26. . Paramyxoviridae: The viruses and their replication. Fields Virology Available from: https://www.scholars.northwestern.edu/en/publications/paramyxoviridae-the-viruses-and-their-replication (1996)
  27. Boussif, O., et al. A versatile vector for gene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo: polyethylenimine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (16), 7297-7301 (1995).
  28. Kaludov, N., Brown, K. E., Walters, R. W., Zabner, J., Chiorini, J. A. Adeno-associated virus serotype 4 (AAV4) and AAV5 Both require sialic acid binding for hemagglutination and efficient transduction but differ in sialic acid linkage specificity. Journal of Virology. 75 (15), 6884-6893 (2001).
  29. Burnham, B., et al. Analytical ultracentrifugation as an approach to characterize recombinant adeno-associated viral vectors. Human Gene Therapy Methods. 26 (6), 228-242 (2015).
  30. Dobnik, D., et al. Accurate quantification and characterization of adeno-associated viral vectors. Frontiers in Microbiology. 10, 1570 (2019).
  31. Backovic, A., et al. Capsid protein expression and adeno-associated virus like particles assembly in Saccharomyces cerevisiae. Microbial Cell Factories. 11, 124 (2012).
check_url/kr/62727?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Rghei, A. D., Stevens, B. A. Y., Thomas, S. P., Yates, J. G. E., McLeod, B. M., Karimi, K., Susta, L., Bridle, B. W., Wootton, S. K. Production of Adeno-Associated Virus Vectors in Cell Stacks for Preclinical Studies in Large Animal Models. J. Vis. Exp. (172), e62727, doi:10.3791/62727 (2021).

View Video